DE19548587A1 - Positioniersystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem, welches
Stellwege mit einer Auflösung in der Größe der Abstände
zwischen benachbarten Atomen in Festkörpern (Größenordnung 10
-10m) erlaubt und zur Positionierung in der Mikrosystemtechnik
oder für Meßaufgaben eingesetzt werden kann.
Nach dem Stand der Technik sind Mikro-Positioniersysteme
(mechanische Verstellsysteme hoher Genauigkeit) bekannt, die
auf der Grundlage der elastischen Verformung von Festkörpern
durch piezoelektrische, piezoresistive, magnetoresistive,
elektro-statische Effekte oder deren thermisch bedingter
Längenänderung arbeiten. Piezoelektrische Mikro-
Positioniersysteme erlauben Verstellungen im Bereich von ca.
10 µm mit hoher Dynamik (Frequenzen von ca. 10 kHz und mehr).
Solche Systeme erreichen in Kombination mit geeigneten
Wegmeßsystemen, durch deren Einbindung in einen Regelkreis
Fehler infolge Hysterese- und Drifteinflüssen korrigiert
werden können, Genauigkeiten von etwa 0.1% bezogen auf ihre
Nennausdehnung.
In DE 43 15 628 A1 wird ein inkrementelles Positionier- und
Meßsystem beschrieben, welches Stellbewegungen mit atomarer
Auflösung (Größenordnung 10-10m) bei Stellwegen bis in den mm-
Bereich realisieren und hysterese- und driftfrei bei hoher
Dynamik (Frequenzen bis zu Ghz) arbeiten soll. Dieses System
arbeitet mit einem Translator und einem Stator, die jeweils
durch atomar ebene Flächen, die durch atomare Bindungskräfte,
geschwächt durch eine monomolekulare Zwischenschicht,
miteinander verbunden sind. Die Stellbewegung soll durch die
Zuführung von impulsartiger Bewegungsenergie ausgelöst werden,
für die erreichbare Steifigkeit wird die Größenordnung von
N/µm angegeben. Dieses System muß durch Bewegungsenergie mit
charakteristischen Amplituden, die mit der angestrebten
Auflösung vergleichbar sind, erregt werden, was technisch
kompliziert ist. Die Steifigkeit dieser Anordnung liegt
notwendig deutlich unter den Werten der für die als Translator
und Stator verwendeten Festkörper. Darüber hinaus erhebt das
beschriebene Prinzip einen hohen Anspruch hinsichtlich der
Sauberkeit während der Herstellung und Anwendung, was die
möglichen Einsatzorte einschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässig
arbeitendes Positioniersystem zu schaffen, welches Stellwege
mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen
benachbarten Atomen in Festkörpern (Größenordnung 10-10m) bei
Steifigkeiten, die mit denen der verwendeten
Festkörpermaterialien vergleichbar sind, erlaubt. Darüber
hinaus soll die Steuerung der Stellbewegung durch
charakteristische Energien und Wege auf einer nach dem Stand
der Technik einfach zu handhabenden Skala ausgelöst werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung nutzt die nichtelastischen mechanischen
Eigenschaften von Festkörpern aus. Dadurch das Translator und
Stator von einem Festkörper gebildet werden, kann z. B. durch
eine plastische Formänderung des Festkörpers, d. h. nach
Beendigung einer äußeren aus lösenden Krafteinwirkung bleibende
Formänderung, eine Stellbewegung im Positioniersystem erzeugt
werden.
Vorteilhaft ist dabei, daß für das betrachtete Material und
bei einer gegebenen Temperatur Sätze von kritischen
(mechanischen) Schubspannungen existieren, unterhalb derer
keine bleibende plastische Verformung auftritt. Diese
kritischen Schubspannungen beschreiben die
Anelastizitätsgrenze der Verformung, d. h. der betrachtete
Stellvorgang ist unterhalb dieser Grenze nicht möglich, was zu
einer hohen Steifigkeit des Positioniersystems für
Gegenspannungen in diesem Bereich führt. Gleichzeitig
resultiert daraus, daß für die Stellbewegung bei den meisten
Festkörpern Normalspannungen im Bereich über 10⁸ N/m² notwendig
sind, was eine Steuerung der Stellbewegung beispielsweise
durch Zangen mit Druckschrauben erfordert.
Die plastische Verformung von Festkörpern besteht in der
Bewegung einer großen Zahl von Atomen, die praktisch
gleichzeitig und in gesetzmäßig verknüpfter Weise erfolgt.
Betrachtet man kristalline Festkörper, kann man ein
Kristallgitter durch das Übereinanderstapeln von mit Atomen
besetzten Ebenen, den sogenannten Netzebenen, bilden. Als
Elementarvorgang der plastischen Verformung gilt das Gleiten
von einzelnen Netzebenen aufeinander, d. h. nach der Verformung
ist ein Teil des Kristalls um einen ganzzahligen Teil der
Translationsperiode der Atome des Kristalls parallel zur
Gleitfläche in Richtung der Gleitung verschoben. Gleitfläche
und Gleitrichtung bilden das materialabhängige Gleitsystem. An
den Begrenzungsflächen des Kristalls resultiert dies für
diesen einfachen Fall in Gleitstufen, der Vorschub eines Teils
des Kristalls wird im Sinne dieser Erfindung als Stellvorschub
genutzt.
Der einfachste Fall kann anhand der Gleitung um den einfachen
Betrag der Gitterkonstanten eines einfach-kubischen Gitters
diskutiert werden, wo nach der Entlastung ein Teil des
Kristalls (im Sinne der Erfindung der Translator), genau um
den Betrag der Gitterkonstanten gegen den Rest (im Sinne der
Erfindung der Stator) verschoben ist, was gleichzeitig einen
Elementarschritt der Stellbewegung verkörpert. Wird der
Gleitschritt von einer bestimmten Ebene an auf benachbarten
wiederholt, spricht man von einem Gleitband. Für die relative
Translation zweier geeigneter Begrenzungsflächen des
Festkörpers ist die Summe aller Gleitschritte maßgebend. Damit
lassen sich Translationen zwischen 10-10m und 10-2m leicht
realisieren. Auch Gleitbeiträge kleiner als eine
Translationsperiode des Kristalls sind möglich. In diesem
Falle entstehen Zwillinge, martensitische Phasen und
Stapelvarianten.
Neben der plastischen Verformung existiert die viskose
Verformung, die vor allem typisch für Festkörper ohne
Kristallgitter ist und durch Diffusionsprozesse hervorgerufen
wird. Für die plastische Verformung, die an das Kristallgitter
gebunden ist, sind gerade die Fehler im Aufbau dieses Gitters
von Bedeutung, das heißt alle Abweichungen von dem Muster der
Atomanordnung, welches dem Kristallsystem entspricht. Diese
Baufehler führen dazu, daß das Gleiten bei äußeren
(kritischen) Schubspannungen, die wesentlich kleiner als die
für das Gleiten im idealen (fehlerfreien) Einkristall
theoretisch erwarteten sind, beobachtet wird. Dies wird
dadurch verständlich, daß das Gleiten als die Bewegung von
Baufehlern im Kristall interpretiert wird, wofür wesentlich
weniger Energie erforderlich ist. Im kristallinen Festkörper
sind für die Bewegung der Baufehler um eine
Translationsperiode bestimmte materialspezifische äußere
Spannungen nötig, so daß bei geeigneter Wahl des Festkörpers
und Dosierung der Spannung Bewegungen um Beträge der Abstände
einzelner Atome möglich sind.
Nach diesem Prinzip sind im Sinne dieser Erfindung alle
Vorgänge im Festkörper, die in einer steuerbaren äußeren
Gestaltänderung um Beträge der atomaren Abstände im Festkörper
resultieren als Grundlage von Mikropositioniersystemen
geeignet.
Die Erfindung soll nachfolgen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Festkörpers mit Stator und
Translator
Fig. 2 eine zu Fig. 1 gehörige Darstellung auf atomarer
Ebene.
In der Fig. 1 ist ein Festkörper 3 dargestellt, der aus einem
Translator 1 und einem Stator 2 besteht. Auf der Ebene ABCD
der Gleitebene 4 ist der obere Kristallteil gegenüber dem
unteren unter der Wirkung einer äußeren Schubspannung 5 in
Pfeilrichtung teilweise bis zur Linie EF abgeglitten. Nach
vollständiger Abgleitung entsteht auf der rechten Seite die
punktiert angedeutete Stufe. Die Fig. 1 ist aus Gustav E.R.
Schulze, Metallphysik, Akademieverlag, Berlin 1967 entnommen.
In der Fig. 2 werden die Vorgänge auf atomarere Ebene
dargestellt. Unter dem Einfluß der äußeren Schubspannung 5,
ist die obere Fläche um ein Atom 6 nach rechts verschoben. Die
Fig. 2 ist aus Charles Kittel, Einführung in die
Festkörperphysik, OLdenbourg Verlag GmbH, München 1988
entnommen.
In einem Mikropositioniersystem, dessen Stellbewegung durch
das Abgleiten von Ebenen hervorgerufen wird, wird eine äußere
(mechanische) Schubspannung 5 zum Gleiten in den Festkörper 3
eingeleitet. Dies kann zum einen bei der Herstellung des
verwendeten Kristalls, etwa bei der Kristallzucht oder
Epitaxie, z. B. durch den Einbau von ebenen inneren
Grenzflächen, die im Vergleich zum übrigen Kristall zu einer
lokalen Verminderung der kritischen Schubspannung 5 führen,
gewährleistet werden. Diese innere Grenzfläche stellt dann
eine bevorzugte Gleitebene 4 dar. Außerdem sind innere
Strukturen denkbar, die etwa unter Ausnutzung der
elektroplastischen nach T. Yamada, J. Ozaki, T. Kataoka: Phil.
Mag. A 58 (1988) 385 oder photoplastischen nach Yu.A. Osipyan,
V.F. Petranko, A.V. Zaretskii, R.W. Whitworth: Adv. Physics 35
(1986) 115 Effekte in Kombination mit elektrischen bzw.
elektromagnetischen Feldern (Licht) zu einer lokalen
Erniedrigung der kritischen Schubspannung führen und durch
ihre Anordnung eine Gleitebene oder ein Gleitband 4
auszeichnen. Diese Beispiele stehen für alle Maßnahmen, durch
die man im Prozeß der Herstellung des Kristalls eine
Gleitebene oder ein Gleitband, auch durch Kombination mit
äußeren Feldeinflüssen bei der Verformung, auszeichnen kann.
Außerdem kann der Kristall vor der Verformung so geritzt
werden, daß die dadurch an der Oberfläche entstehenden Quellen
von Baufehlern eine Gleitebene oder ein Gleitband 4
auszeichnen. Zum anderen sind Maßnahmen während der Verformung
denkbar, etwa durch gezielte lokale Erhitzung mittels Laser,
in deren Folge Gleitebenen oder ein Gleitband ausgezeichnet
werden.
Claims (5)
1. Positioniersystem, bestehend aus einem Translator, einem
Stator sowie einem Stellmechanismus, welches Stellwege
mit einer Auflösung in der Größe der Abstände zwischen
benachbarten Atomen in Festkörpern erlaubt, dadurch
gekennzeichnet, daß Translator (1) und Stator (2) des
Positioniersystems durch einen Festkörper (3) gebildet
werden und der Translator (1) ein durch die Ausnutzung
der nichtelastischen mechanischen Festkörpereigenschaften
gegenüber dem Stator (2) verschobener Teil dieses
Festkörpers (3) ist.
2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Festkörper (3), der den
Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems
bildet, durch Maßnahmen während dessen Herstellung, eine
oder mehrere Gleitebenen oder Gleitbänder (4) für die
Stellbewegung ausgezeichnet sind, und der verschobene
Teil durch eine plastische Verformung durch Einleitung
einer äußeren kritischen Schubspannung (5) in den
Festkörper (3) gebildet wird.
3. Positioniersystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß durch die Kombination mit anderen
physikalischen Feldern die Gleitebenen oder Gleitbänder
(4) während der Stellbewegung aktivierbar sind.
4. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Festkörper (3), der den
Translator (1) und Stator (2) des Positioniersystems
bildet, durch Maßnahmen vor Beginn oder während der
Stellbewegung, ein oder mehrere Gleitebenen oder
Gleitbänder (4) für die Stellbewegung ausgezeichnet
werden.
5. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Translator (1) durch
physikalische und/oder chemische Vorgänge, die in einer
äußeren Gestaltänderung um Beträge der atomaren Abstände
im Festkörper (3) resultieren, gegenüber dem Stator (2)
verschiebbar ist.
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